[發明專利]考慮渦激效應的深海SPAR型浮式風機疲勞損傷分析方法

有效

• 申請號: 201810031775.3
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108229043B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 桑松
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/04
• 代理公司: 青島匯智海納知識產權代理有限公司 37335
• 代理人: 王丹丹

1.考慮渦激效應的深海SPAR型浮式風機疲勞損傷分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

A、分析SPAR型浮式風機的渦激運動現象，獲得SPAR型浮式風機的整體受力特性、運動軌跡和響應頻率，具體包括以下步驟：

A1、基于ADINA軟件，根據實際SPAR型浮式風機結構，建立其二維數值仿真模型；

A2、建立結構彈性系泊渦激運動的力學方程；

在保證橫蕩固有周期和縱蕩固有周期相同的前提上，將原系泊系統等效為線性彈簧-阻尼系統，建立其雙自由度對應的動力學方程：

其中，m代表結構單位長度的質量；C_x代表結構縱蕩的阻尼系數；C_y代表結構橫蕩的阻尼系數；K_x，K_y代表系泊系統縱蕩和橫蕩的剛度；F_d(t)代表流向阻力，隨時間變化；F_l(t)代表橫向升力，隨時間變化；

A3、基于ADINA軟件進行流固耦合分析；

B、基于FAST軟件，在作業海況和生存海況條件下，分析SPAR型浮式風機在風載荷、浪載荷及流載荷聯合作用下的運動響應時程及系纜受力情況；

C、對渦激效應下SPAR型浮式風機的疲勞損傷進行分析，具體包括以下步驟：

C1、根據Miner線性疲勞損傷疊加理論、S-N曲線和雨流計數法編寫MATLAB程序，分別進行風機渦激載荷和風浪載荷單獨作用下的疲勞損傷分析；

C2、在確定風浪載荷造成疲勞損傷度與渦激荷載造成的疲勞損傷度后，將二者產生的疲勞損傷根據Miner線性累積損傷理論進行線性疊加，進而得到系纜在其設計壽命內總的疲勞損傷。

2.根據權利要求1所述的考慮渦激效應的深海SPAR型浮式風機疲勞損傷分析方法，其特征在于：步驟A1中，所述數值仿真模型根據SPAR型浮式風機基礎的主尺度參數進行設計，建立縮尺比結構模型，所述主尺度參數包括SPAR型浮式風機基礎的直徑、橫蕩固有周期、縱蕩固有周期、SPAR型浮式風機基礎的密度、X軸系泊剛度和Y軸系泊剛度。

3.根據權利要求1所述的考慮渦激效應的深海SPAR型浮式風機疲勞損傷分析方法，其特征在于，所述步驟A3具體包括：

(1)計算域確定與網格劃分：

計算域采用笛卡爾坐標系，建立水動力計算邊界，并對標準k-ε模型進行改進設計，以作為湍流模型；

(2)驗證網格精度和計算效率，網格可靠性測試合格后，分析SPAR型浮式風機渦激運動現象；

(3)輸出結構的渦激參數，包括升阻力系數時程，結構振動特性曲線，結構壓力云圖和速度云圖。

4.根據權利要求3所述的考慮渦激效應的深海SPAR型浮式風機疲勞損傷分析方法，其特征在于：所述步驟A3中，對選用的湍流模型做如下改進處理：

(1)考慮流動中的旋轉及旋流流動的影響，對湍流黏度進行修正，修正公示如下：

μ_eff＝μ+μ_t，其中，μ為動力黏度，μ_t為湍流黏度；ρ為流體密度；C_μ為經驗常數；k為湍動能；ε為耗散率；

(2)在ε方程中增加約束條件以反映主流時均應變率，其中，μ_i為時均速度；表明該模型中產生項不僅與流動情況有關，而且還是空間坐標的函數，從而可以更好地處理高速應變率及流線彎管程度較大的流動。

5.根據權利要求1所述的考慮渦激效應的深海SPAR型浮式風機疲勞損傷分析方法，其特征在于：所述步驟B中，對SPAR型浮式風機進行時域響應分析時，主要包括以下步驟：

(1)利用Turbsim模塊，根據Kaimal風譜模擬生成風場文件，并輸入到空氣動力學模塊AeroDyn中，以獲得塔架和基礎結構應力特性和運動軌跡；

(2)在水動力模塊HydroDyn中輸入浪和流的條件，在系纜條件模塊MAP++中輸入系泊系統參數，以獲得結構運動響應時程及系纜受力情況；

(3)根據輸入的環境要素進行時域運動分析，為系纜的疲勞強度評估提供依據。